Enlaces químicos y estructuras cristalinas: propiedades, densidad y empaquetamiento

Enlaces químicos

Enlace iónico (Metal + No metal)

Enlace iónico (metal + no metal)

Se da cuando se encuentran dos elementos, uno metálico y otro no metálico. Debido al signo opuesto de sus cargas, el catión y el anión se mantienen unidos mediante fuerzas eléctricas de atracción. Esta forma de unión se conoce como enlace iónico y los compuestos que la presentan se denominan compuestos iónicos.

Cuando hablamos de enlace iónico no nos referimos a moléculas formadas por solo dos iones, sino a redes cristalinas cuya estabilidad está determinada por una energía denominada energía reticular. El número de iones que rodea a otro de carga contraria se llama número o índice de coordinación. Los materiales iónicos se caracterizan por ser duros, frágiles y aislantes, tanto eléctrica como térmicamente.

Enlace covalente (No metal + No metal)

Enlace covalente (no metal + no metal)

La configuración electrónica estable en el enlace covalente se consigue compartiendo electrones entre átomos vecinos. Muchas moléculas de elementos no metálicos (Cl₂, F₂, I₂), así como muchas moléculas que contienen átomos diferentes (CH₄, H₂O, NH₃, CO₂) presentan enlace covalente. Es característico de los materiales poliméricos (plásticos).

Muy pocos compuestos presentan enlaces puramente iónicos o puramente covalentes; la mayoría poseen enlaces con carácter parcial iónico y parcial covalente.

Enlace metálico (Metal + Metal)

Enlace metálico (metal + metal)

Los elementos metálicos tienen uno, dos o, a lo sumo, tres electrones de valencia. En este tipo de enlace, los electrones de valencia no pertenecen a ningún átomo en particular; forman una nube de electrones y presentan un carácter no direccional. Estos electrones libres son buenos conductores de la electricidad y del calor.

Fuerzas intermoleculares

Fuerzas intermoleculares

Las fuerzas intermoleculares mantienen a las moléculas unidas entre sí. Existen diferentes tipos:

• Fuerzas de Van der Waals: fuerzas de naturaleza eléctrica que se establecen entre moléculas covalentes.
• Puentes o enlaces de hidrógeno: fuerzas intermoleculares más intensas que las de Van der Waals; son relativamente específicas, pues se establecen entre moléculas covalentes que poseen átomos de hidrógeno unidos a elementos muy electronegativos. Ejemplos: H₂O, NH₃, etc.

Estructuras cristalinas y parámetros

Densidad teórica

Densidad teórica

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La densidad teórica de un metal a partir de su celda unitaria se calcula con la siguiente relación:

ρ = (n · A) / (V · N_a)

• donde n es el número de átomos en el interior de la celdilla;
• A es la masa atómica del metal;
• V es el volumen de la celdilla unitaria;
• N_a es el número de Avogadro (6,022 × 10²³).

Factor de empaquetamiento

Factor de empaquetamiento

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La expresión superior representa el número de átomos por el volumen 4/3 π R³, mientras que la expresión inferior corresponde a la constante reticular elevada al cubo. El factor de empaquetamiento (packing factor) mide la fracción del volumen de la celda que está ocupada por los átomos considerados como esferas rígidas.

Red cúbica centrada (CC)

Red cúbica centrada (CC)

Número de átomos por celda: 2 (un átomo en el centro y ocho esquinas compartidas, que equivalen a 1 átomo en total de las esquinas).

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Constante reticular (a). Es la longitud del lado de la celda unitaria, es decir, la distancia entre centros de átomos en direcciones de celda. En la red cúbica centrada la diagonal de la cara está relacionada con el radio atómico R mediante las relaciones geométricas específicas del empacado.

Red cúbica centrada en las caras (CCC)

Red cúbica centrada en las caras (CCC)

Número de átomos por celda: 4 (seis átomos en las caras compartidos entre dos celdas y ocho esquinas compartidas entre ocho celdas).

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Constante reticular (a).

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Red hexagonal compacta (HCP)

Red hexagonal compacta (HCP)

Número de átomos por celda: típicamente 6 en la celda hexagonal estándar (dependiendo de la elección de celda unitaria).

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Constante reticular (a).

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Notas finales

• La constante reticular (a) se utiliza para describir dimensiones de la celda unitaria: es la distancia entre centros de nodos de la red a lo largo de la arista de la celda.
• Los ejemplos gráficos (%IMAGE_1% a %IMAGE_9%) ilustran densidades, empaquetamiento y geometría de las celdas unitarias; es importante conservarlos para la interpretación visual de las redes cristalinas.